El paper dels inversors en els sistemes fotovoltaics

En l’onada de transformació energètica global, la generació d’energia solar fotovoltaica s’ha convertit en una força important amb les seves característiques netes i renovables. En els sistemes fotovoltaics, tot i que l’inversor sembla inconscient, té un paper vital i es pot anomenar “cor” i “cervell” de tot el sistema. No només s’adona de la conversió de potència clau, sinó que també realitza múltiples funcions com la regulació del sistema i l’assegurança de seguretat, que afecta profundament l’eficiència de la generació d’energia, l’estabilitat i l’economia dels sistemes fotovoltaics. ​

Els panells solars converteixen l’energia de la llum en corrent directe (DC) a través de l’efecte fotoelèctric, però si està connectat a la xarxa elèctrica o conduint electrodomèstics, ha d’utilitzar corrent altern (CA).

La funció més bàsica i bàsica de l’inversor és convertir la DC generada pel panell solar en CA que compleix els requisits. ​

Preneu el sistema PV de casa com a exemple. Els panells solars del terrat es produeixen contínuament DC durant el dia. Un inversor de corda amb una potència nominal de 5kW utilitza dispositius electrònics de potència interna (com els transistors bipolars de porta aïllats IGBT) per convertir la potència de corrent continu en potència de CA sinusoïdal amb una freqüència de 50Hz i una tensió de 220V (o 380V) mitjançant un canvi de freqüència d’alta freqüència. Aquesta potència de CA pot ser utilitzada directament per refrigeradors, aire condicionat, televisors i altres electrodomèstics a la llar i l'excés de potència es pot connectar a la xarxa elèctrica per aconseguir "auto-generació d'auto-ús i excedent per a la xarxa". ​

A les centrals fotovoltaiques a gran escala, l'escala de conversió de potència d'inversors centralitzats és encara més sorprenent. Per exemple, en una base PV a nivell de megawatt a l’oest de la Xina, un sol inversor centralitzat amb una capacitat d’1MW pot convertir milions de watts de potència de corrent continu en potència de CA cada hora, cosa que equival a satisfer les necessitats d’electricitat de milers de llars. Aquests inversors utilitzen estructures topològiques complexes i algoritmes de control per assegurar -se que la potència de sortida de sortida té una taxa de distorsió harmònica extremadament baixa (normalment inferior al 5%), complint els estrictes requisits de qualitat de potència de la xarxa elèctrica i evitant la contaminació a la xarxa.

La intensitat de la llum, la temperatura, la cobertura de la pols i altres factors faran que la potència de sortida dels panells solars canviï tot el temps, i la funció de seguiment de punts de potència màxim (MPPT) de l’inversor pot ajustar el punt de treball del panell solar en temps real de manera que sempre produeix la potència màxima. ​

Suposem que la potència màxima d’un panell solar en condicions de prova estàndard (STC, irradiació 1000W\/m², temperatura 25 graus) és de 500W, però en funcionament real, la llum feble al matí, la temperatura alta al migdia i la cobertura del núvol a la tarda farà que la potència de sortida del panell solar fluctui.

En aquest moment, l’inversor equipat amb algoritmes avançats de MPPT (com el mètode d’observació de pertorbació i el mètode d’increment de la conductància) canviarà contínuament la tensió de treball i el corrent del panell solar i bloquejarà amb precisió el punt de potència màxim a través d’un cicle ràpid de “ajustament de feedback”.

Segons les estadístiques, els inversors amb una funció MPPT eficient poden augmentar l'eficiència general de generació d'energia dels sistemes PV en un 5% - 15%.

En els escenaris de PV distribuïts, els avantatges de la funció MPPT són més evidents. Per exemple, en un sistema fotovoltaic del terrat d’un edifici residencial, les característiques de sortida dels panells en diferents cadenes varien molt perquè alguns panells estan bloquejats per fulles i coberts per l’organització de les ombres. Els inversors de cadena o els micro inversors estan equipats amb mòduls MPPT independents per a cada cadena o cada panell, cosa que pot optimitzar l'eficiència de generació d'energia de cada part per separat, evitar el "efecte de la placa curta" i maximitzar la generació d'energia de tot el sistema. ​

El sistema fotovoltaic està exposat a l’aire lliure durant molt de temps i s’enfronta a diversos riscos com ara anomalies de xarxa, fallades d’equips i entorn natural. La funció de protecció de l’inversor és com un "guàrdia de seguretat" per assegurar el funcionament estable del sistema. ​

Quan la xarxa elèctrica està fora de potència a causa d'una falla, si el sistema fotovoltaic continua subministrant energia a la xarxa elèctrica local, es formarà una "illa", que no només provocarà riscos de xoc elèctric al personal de manteniment, sinó també danyar els equips. El dispositiu de protecció insular integrat a l’inversor pot detectar ràpidament canvis anormals en la freqüència, la tensió i altres paràmetres en el moment de la interrupció d’energia i tallar la sortida en dos segons per evitar l’efecte insular.

Per exemple, quan un tifó va fer que la xarxa elèctrica en una determinada zona es paralitzés, l’inversor del sistema PV local connectat a la xarxa elèctrica va activar ràpidament la protecció insular, garantint efectivament la seguretat del personal de reparació i la integritat de l’equip. ​

Quan la tensió de sortida del panell solar és massa alta (com ara un augment de tensió a causa d’una caiguda sobtada de la temperatura), es produeix una falla de curtcircuit al circuit o el corrent de càrrega és massa gran, l’inversor desencadenarà automàticament el mecanisme de protecció per tallar el circuit o limitar el corrent per prevenir danys i accidents d’incendis. Al mateix temps, l’inversor també té una funció de protecció de sobre-temperatura. Quan la temperatura del dispositiu d’energia interna és massa alta, es refreda iniciant el ventilador de refrigeració, reduint la potència de sortida, etc., per assegurar -se que l’equip funciona dins d’un rang de temperatura segur.

Amb l’augment continu de la capacitat instal·lada per PV, el paper dels inversors en la interacció de la xarxa és cada cop més important. No només ha d’integrar de manera fluïda l’energia elèctrica a la xarxa, sinó que també ha de complir els requisits de la xarxa per a la qualitat de l’energia, l’estabilitat i les capacitats de regulació. ​

L’inversor controla la forma d’ona i la fase del corrent de sortida de manera que la potència AC de sortida es troba en la mateixa freqüència i fase que la tensió de la graella i controla el contingut harmònic a un nivell extremadament baix. Per exemple, els inversors intel·ligents moderns poden controlar la taxa de distorsió harmònica actual (THD) dins del 3%, a prop de l’ona sinusoïdal ideal, reduir la interferència a la xarxa i assegurar el funcionament estable de la xarxa. A més, l’inversor també pot ajustar el factor de potència segons la demanda de la xarxa per apropar -lo a 1, millorant així l’eficiència de transmissió de la xarxa.

Impulsats per la globalització de l’electricitat verda, els sistemes fotovoltaics s’han transformat gradualment des d’unitats de generació d’energia simples fins a nodes intel·ligents amb capacitats de suport de la xarxa. Els nous inversors donen suport a funcions com ara la regulació de la potència activa i la compensació de potència reactiva. Quan la càrrega de la graella és màxima, l’inversor pot reduir activament la potència de sortida per evitar l’impacte a la xarxa; Quan la tensió de la graella és baixa, l’inversor pot produir potència reactiva per augmentar el nivell de tensió de la graella. A Alemanya, els inversors d’algunes estacions d’energia fotovoltaica s’han adonat de la funció de la “central elèctrica virtual” mitjançant la comunicació en temps real amb el centre d’enviament de la xarxa elèctrica, han participat efectivament en la regulació de càrrega màxima de la xarxa elèctrica i ha millorat la capacitat d’absorció de la nova energia.

Els inversors moderns generalment integren funcions de recollida de dades, comunicació i anàlisi intel·ligents, convertint -se en el "mestre de casa intel·ligent" del sistema fotovoltaic. Mitjançant sensors integrats, l’inversor supervisa la tensió d’entrada de corrent continu, el corrent, la potència de sortida de CA, la freqüència, la temperatura dels equips i altres paràmetres en temps real i penja les dades a la plataforma de control mitjançant Wired (RS485, Ethernet) o comunicació sense fils (4G, WIFI). ​

El personal de funcionament i manteniment pot veure de forma remota l’estat de funcionament, les dades de generació d’energia i la informació d’alarma de falles del sistema fotovoltaic mitjançant l’aplicació o l’ordinador de telefonia mòbil. Per exemple, quan la generació d’energia d’un determinat panell disminueix a causa de l’acumulació de pols, l’inversor emetrà una alarma a temps i localitzarà el panell de problemes mitjançant l’anàlisi de dades, ajudant el personal de funcionament i manteniment a reparar i reduir amb precisió els costos de funcionament i manteniment. A més, alguns inversors avançats també tenen funcions de manteniment predictius. Mitjançant l’anàlisi d’aprenentatge automàtic de dades històriques, es pot predir amb antelació el risc de fallada dels equips, convertint el manteniment passiu en un manteniment actiu. ​

En resum, l’inversor integra múltiples funcions com la conversió d’energia, l’optimització d’energia, la protecció de seguretat, la interacció de la xarxa i la gestió intel·ligent en el sistema fotovoltaic. El seu rendiment determina directament l'eficiència, l'estabilitat i els beneficis econòmics de generació d'energia del sistema fotovoltaic. Amb l’avançament continu de la tecnologia, les noves tecnologies com ara dispositius de carbur de silici, algoritmes d’AI i fusió multi-energia milloraran encara més el rendiment dels inversors, promouen la indústria fotovoltaica per desenvolupar-se en una direcció més eficient i intel·ligent i contribuiran més a la transformació d’energia global.